專(zhuān)利名稱(chēng)：用于燃燒器襯墊的發(fā)散冷卻套管及相關(guān)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及渦輪機(jī)械，且更具體地涉及在燃?xì)鉁u輪機(jī)燃燒 器中對(duì)燃燒器襯墊的冷卻。
背景技術(shù)：
常規(guī)的燃?xì)鉁u輪機(jī)燃燒系統(tǒng)采用多燃燒器組件來(lái)實(shí)現(xiàn)可靠且有 效的渴輪機(jī)操作。各個(gè)燃燒器組件包括圓柱狀襯墊、燃料噴射系統(tǒng)， 以及將熱燃?xì)饬鲝娜紵饕龑?dǎo)至渦輪機(jī)入口的過(guò)渡件。總體而言，壓 縮機(jī)排出空氣的一部分用來(lái)冷卻燃燒器襯墊，且之后引入燃燒器反應(yīng) 區(qū)內(nèi)以便與燃料相混合并燃燒。
在結(jié)合了沖擊冷卻式過(guò)渡件的系統(tǒng)中，中空套筒(本文也稱(chēng)為"過(guò) 渡套筒")圍繞過(guò)渡件，且套筒壁穿孔以便壓縮機(jī)排出空氣流經(jīng)套筒壁 中的冷卻開(kāi)口并沖擊(且因而冷卻)過(guò)渡件。該冷卻空氣然后沿著套筒
與過(guò)渡件之間的環(huán)形空間流動(dòng)。這種所謂的"交叉流(cross flow)"最 終流入燃燒器襯墊與圍繞的流動(dòng)套筒(本文也稱(chēng)為"襯墊套筒")之間 的另一個(gè)環(huán)形空間。該襯墊套筒在其周向還形成有數(shù)行冷卻孔，第一 行位于將襯墊套筒連結(jié)到過(guò)渡件上的安裝凸緣附近。
即使存在由過(guò)渡件冷卻氣流所引起的強(qiáng)烈交叉流，但通過(guò)使用套 圏(collar)或冷卻導(dǎo)管(也稱(chēng)為"套管，，)可最大限度地降低交叉流對(duì)沖 擊冷卻流的負(fù)面影響，冷卻導(dǎo)管插在燃燒器襯墊套筒中的冷卻孔內(nèi)， 冷卻射流穿過(guò)該燃燒器襯墊套筒。這些套管提供對(duì)交叉流的物理阻 塞，迫使交叉流進(jìn)入期望的流路，且同時(shí)保證冷卻射流有效地沖擊燃 燒器襯墊表面以使之冷卻。套管或套圏優(yōu)選地安裝在位于襯墊套筒后 端處的至少第一行孔的每個(gè)孔內(nèi)，鄰近燃燒器襯墊與過(guò)渡件相連結(jié)的安裝凸緣。這種裝置減小了噴射孔與沖擊表面之間的間距；阻塞使射
流偏轉(zhuǎn)的交叉流并迫使交叉流進(jìn)入用于后續(xù)射流行的期望流路內(nèi)；允 許射流的直徑更小并因而減少冷卻空氣；以及提供對(duì)射流沖擊位置的 一致及精確控制。這也穩(wěn)定了第一行射流的有害軸向振動(dòng)并阻止在第 一行射流的上游形成厚的邊界層(而導(dǎo)致傳熱下降)。在共同持有的美 國(guó)專(zhuān)利6484505中公開(kāi)了前述套管的使用。
然而，仍然存在這樣的需求通過(guò)在襯墊表面處引導(dǎo)的冷卻射流
而更為有效地沖擊冷卻燃燒器襯墊，但不會(huì)沿著襯墊產(chǎn)生高的熱梯 度。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)示范性而非限制性的實(shí)施例中，改變套管幾何尺寸使得套 管壁在從套管進(jìn)口至套管出口的方向上擴(kuò)散。換句話(huà)說(shuō)，套管具有截 錐形狀，使得冷卻射流在其流向燃燒器襯墊時(shí)而徑向向外散布，因而 對(duì)村墊的后部,殳提供更為均勻的冷卻。
因此，在一方面，本發(fā)明涉及用于渦輪^a然燒器襯墊的冷卻裝置，
其包括燃燒器襯墊；圍繞燃燒器襯塾的至少一部分在其間具有流動(dòng) 環(huán)形空間的流動(dòng)套筒，該流動(dòng)套筒具有繞其圓周形成以便導(dǎo)引冷卻空 氣進(jìn)入流動(dòng)環(huán)形空間并朝向燃燒器襯墊的多行冷卻孔；其中，至少一 個(gè)套管裝配在其中相應(yīng)的一個(gè)或多個(gè)冷卻孔內(nèi)，該至少一個(gè)套管沿朝 向燃燒器襯墊的徑向方向延伸且具有沿冷卻空氣流動(dòng)方向擴(kuò)散的周 邊壁。
在另一方面，本發(fā)明涉及一種冷卻由流動(dòng)套筒所環(huán)繞的燃燒器襯 墊的方法，其包括在流動(dòng)套筒內(nèi)形成多個(gè)冷卻孔；以及將套管裝配 在其中的至少一些冷卻孔內(nèi)，各個(gè)套管具有沿冷卻流體穿過(guò)套管流向
燃燒器襯墊方向的擴(kuò)散周邊壁。
現(xiàn)將結(jié)合以下進(jìn)行標(biāo)識(shí)的附圖來(lái)描述本發(fā)明。

圖1是燃燒器襯墊中常規(guī)燃燒器過(guò)渡件后部的簡(jiǎn)化側(cè)截面圖； 圖2是將常規(guī)燃燒器襯墊及襯墊流動(dòng)套筒連結(jié)到過(guò)渡件上的局部
但更詳細(xì)的透一見(jiàn)圖3是描述沖擊冷卻現(xiàn)有裝置中燃燒器村墊的流動(dòng)曲線圖4是根據(jù)本發(fā)明的示范性但非限制性的實(shí)施例來(lái)描述利用擴(kuò)散
套管進(jìn)行沖擊冷卻的局部透視圖；以及 圖5是從圖4中截耳又的放大詳圖。
具體實(shí)施例方式
參看圖1和圖2,典型的燃?xì)饪瘦啓C(jī)包括過(guò)渡件10，通過(guò)過(guò)渡件 10將熱燃?xì)鈴挠扇紵饕r墊12(圖2)表示的上游燃燒器傳送至以14 表示的多級(jí)渦輪機(jī)構(gòu)件。
來(lái)自燃?xì)鉁u輪壓縮機(jī)的氣流離開(kāi)軸向擴(kuò)散器16而進(jìn)入壓縮機(jī)排 出殼體18內(nèi)。約50%的壓縮機(jī)排出空氣穿過(guò)沿著過(guò)渡件沖擊套筒22 并圍繞其形成的開(kāi)口 20,以便流入過(guò)渡件IO與徑向外部的過(guò)渡件沖 擊套筒22之間的環(huán)形區(qū)域或環(huán)形空間24內(nèi)。剩余近似50%的壓縮機(jī) 排出氣流傳送進(jìn)入流動(dòng)套筒孔34內(nèi)并與從環(huán)形空間30來(lái)自過(guò)渡件的 空氣相混合，并最終與燃燒器內(nèi)的燃?xì)鉁u輪機(jī)燃料相混合。
圖2描述了在過(guò)渡件IO與燃燒器襯墊流動(dòng)套筒28之間的連接， 這將出現(xiàn)在圖1的左手側(cè)遠(yuǎn)端。具體而言，過(guò)渡件10的沖擊套筒22 以伸縮式關(guān)系接收在燃燒器流動(dòng)套筒28后端部上的安裝凸緣26內(nèi)， 且過(guò)渡件IO也以伸縮式關(guān)系接收燃燒器襯墊12。燃燒器流動(dòng)套筒28 環(huán)繞燃燒器襯墊12，從而在其間產(chǎn)生流動(dòng)環(huán)形空間30。
/人圖2中的流動(dòng)箭頭32可以看出，在環(huán)形空間24內(nèi)行進(jìn)的交叉 流冷卻空氣在垂直于沖擊冷卻空氣流經(jīng)形成在襯墊套筒28(盡管在圖 2中示出了三行，但村墊套筒可具有任何數(shù)量行的這種孔)圓周周?chē)?冷卻孔34(見(jiàn)流動(dòng)箭頭36)的方向上繼續(xù)流動(dòng)進(jìn)入環(huán)形空間30內(nèi)。在襯墊套筒中第一行孔34(最接近安裝凸緣26的那行孔)內(nèi)的沖 擊冷卻氣流尤其容易遭受來(lái)自環(huán)形空間24的交叉流的破壞。該交叉 流撞擊離開(kāi)孔34的第一行冷卻射流、使其轉(zhuǎn)向并降低其沖擊襯墊12 的能力。取決于交叉流和射流的相對(duì)強(qiáng)度，射流可能甚至不能到達(dá)燃 燒器襯墊12的表面。因?yàn)闆_擊射流具有高速度，故在射流的后面和 靠近襯墊套筒進(jìn)入孔處存在低靜壓的特性區(qū)域。交叉流加速朝向低壓 區(qū)域，導(dǎo)致跨過(guò)襯墊套筒/襯墊環(huán)形空間30的速度梯度?？拷r墊表 面的該最終的低速度及加厚的邊界層具有很差的傳熱效率。
為了消除交叉流對(duì)冷卻射流的負(fù)面影響，采用如圖3所示的冷卻 套管36。這些套管包括圓形截面的管子38，具有焊接到該管子頂部 上(或與其一起形成)的平坦環(huán)或凸緣40。各個(gè)套管36的管子或本體部 分38形成為均勻直徑。自壓縮機(jī)排出的冷卻氣流進(jìn)入過(guò)渡件環(huán)形空 間且之后流入套管內(nèi)。套管將冷卻射流聚集到襯墊內(nèi)的熱點(diǎn)上，導(dǎo)致 強(qiáng)烈的沖擊冷卻作用。然而，該沖擊作用導(dǎo)致沿著襯墊圓周的高的熱 梯度。
根據(jù)本發(fā)明的示范性但非限制性的實(shí)施例并參看圖4和圖5，圍 繞燃燒器襯墊44的燃燒器襯墊流動(dòng)套筒42裝配有改良的套管46,各 個(gè)套管46均具有沿流動(dòng)方向擴(kuò)散的周邊壁48,使得冷卻射流隨著其 流向襯墊44的表面而發(fā)散。套管46的尺寸由襯墊/流動(dòng)套筒間距、該 尺寸的公差、射流和交叉流動(dòng)量、套管的幾何限制以及特定渦輪機(jī)的 具體冷卻要求來(lái)設(shè)定。然而，優(yōu)選關(guān)系包括擴(kuò)散壁的最小直徑至最大
直徑在從1.2D至2D的范圍內(nèi)，其中D是周邊壁的基圓直徑。擴(kuò)散角 可為直至大約為30°的任何角度。套管46可由與流動(dòng)套筒42相同的 材料制成。 一個(gè)或多個(gè)套管46可布置在軸向隔開(kāi)的冷卻孔中一^f亍或 多行(錯(cuò)開(kāi)或呈直線)內(nèi)，但不必在每行的各個(gè)孔內(nèi)。 一些行可僅具有 擴(kuò)散套管，而其它行可都具有平直套管36，同時(shí)還有的其它行可具有 這兩類(lèi)套管的組合。在所有情況下，套管優(yōu)選地分別在環(huán)或凸緣40 或50處焊接到襯墊套筒28或42上。示出的管狀周邊壁48的截面是圓形的，但可使用其它的截面形 狀例如方形、三角形、翼型形狀以及半圓形等，只要沿流動(dòng)方向有擴(kuò) 散。該擴(kuò)散或擴(kuò)張的套管設(shè)計(jì)通過(guò)將射流以 一定方式朝向襯墊引導(dǎo)和 展開(kāi)而有效冷卻襯墊的后部段，該方式不會(huì)產(chǎn)生沿著襯墊的實(shí)質(zhì)性熱 梯度，并因而產(chǎn)生對(duì)襯墊后部段的更均勻冷卻。
雖然已結(jié)合目前認(rèn)為最實(shí)用和優(yōu)選的實(shí)施例描述了本發(fā)明，但應(yīng) 理解本發(fā)明不限于所披露的實(shí)施例，而相反地意圖覆蓋包括在所附權(quán) 利要求精神和范圍內(nèi)的各種修改和等同方案。
權(quán)利要求
1.一種用于渦輪機(jī)燃燒器襯墊的冷卻裝置，包括燃燒器襯墊(44)；環(huán)繞所述燃燒器襯墊的至少一部分在其間具有流動(dòng)環(huán)形空間的流動(dòng)套筒(42)，所述流動(dòng)套筒具有繞其圓周形成的多行冷卻孔(34)，用于引導(dǎo)冷卻空氣進(jìn)入所述流動(dòng)環(huán)形空間并朝向所述燃燒器襯墊；其中，至少一個(gè)套管(46)裝配在所述冷卻孔(34)中相應(yīng)的一個(gè)或多個(gè)冷卻孔內(nèi)，所述至少一個(gè)套管在朝向所述燃燒器襯墊的徑向方向上延伸，以及具有在所述冷卻空氣的流動(dòng)方向上擴(kuò)散的周邊壁(48)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的裝置，其特征在于，所述至少一個(gè)套管 (46)是管狀的，在其一端具有徑向凸緣(50)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述至少一個(gè)套管 (46)焊接到所述流動(dòng)套筒(42)上，所述管子的相對(duì)端部與所述襯墊(44) 以預(yù)定量而徑向隔開(kāi)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述至少一個(gè)套管 (46)以直至大約30°的擴(kuò)散角從一個(gè)端部至另一端部均勻地?cái)U(kuò)散。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述至少一個(gè)套管 (46)包括管子(48),在其一端具有徑向凸緣(50)，所述徑向凸緣位于所 述流動(dòng)套筒(42)的外周邊表面上。
6. —種冷卻由流動(dòng)套筒(42)所環(huán)繞的燃燒器襯塾(44)的方法，包括a. 在所述流動(dòng)套筒內(nèi)形成多個(gè)冷卻孔(34);以及b. 將套管(46)裝配在所述冷卻孔中的至少一些冷卻孔內(nèi)，所述套 管中的各個(gè)套管均具有在冷卻流體穿過(guò)所述套管朝向所述燃燒器襯 墊流動(dòng)的方向上的擴(kuò)散周邊壁(48)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述擴(kuò)散周邊壁(48) 為圓形截面。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，步驟a包括形成多 行冷卻孔，以及步驟b包括將套管(46)裝配在各行的至少一些冷卻孔 內(nèi)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述套管(46)中的 各套管均以大約30°的擴(kuò)散角從一端至另一端均勻地?cái)U(kuò)散。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述套管(46)中的 至少一些套管位于所述流動(dòng)套筒的后端。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于燃燒器襯墊的發(fā)散冷卻套管及相關(guān)方法。具體而言，本文公開(kāi)了一種用于渦輪機(jī)燃燒器襯墊的冷卻裝置，其包括燃燒器襯墊；圍繞燃燒器襯墊的至少一部分在其間具有流動(dòng)環(huán)形空間的流動(dòng)套筒，該流動(dòng)套筒具有形成在其圓周周?chē)糜谝龑?dǎo)冷卻空氣進(jìn)入流動(dòng)環(huán)形空間并朝向燃燒器襯墊的多行冷卻孔。一個(gè)或多個(gè)冷卻孔裝配在朝向燃燒器襯墊的徑向方向上延伸的套管，該套管具有沿冷卻空氣的流動(dòng)方向擴(kuò)散的周邊壁。
文檔編號(hào)F23D14/78GK101625123SQ20091013277
公開(kāi)日2010年1月13日 申請(qǐng)日期2009年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月11日
發(fā)明者G·P·勞, K·凱利斯沃蘭 申請(qǐng)人:通用電氣公司